Транзисторы

Управление током и усиление сигналов в схемах полупроводниковой электроники осуществляют с помощью транзисторов.

По структуре и принципу действия транзисторы делятся:

- биполярные; - униполярные (полевые).

Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из трех слоев с чередованием областей электронной и дырочной проводимости и снабженный тремя выводами (электродами) для подключения к внешней цепи.

На рис. 1.12 показано схемное обозначение двух типов транзисторов р-n-р - типа и n-р-n - типа. Крайние слои называют эмиттером (Э) и коллектором (К), между ними находится база (Б). В трехслойной структуре имеются два электронно-дырочных перехода: эмиттерный переход между эмиттером и базой и коллекторный переход между базой и коллектором. В качестве исходного материала транзисторов используют германий или кремний.

p n p n p n

	- -

э б к э б к

а) б)

а – биполярный транзистор p – n – p типа; б – биполярный транзистор n –p – n типа

Рисунок 1.12 – Структура и схемное обозначение биполярных транзисторов

Транзисторы обоих структур работают одинаково, только полярность приложенных напряжений для разных структур различная. На переход К - Б напряжение всегда прикладывается в обратном направлении. На переход Б – Э в рабочих режимах напряжение прикладывается в прямом направлении.

Транзистор всегда включается в схему таким образом, что один из электродов является общим для входной и выходной цепи. В соответствии с тем какой электрод является общим различают схемы: с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором.

Схема включения с общей базой (рис. 1.13)

Рисунок 1.13 – Схема включения транзистора n – p – n типа с общей базой

На переход К – Б напряжение подано в обратной полярности, поэтому если U_бэ = 0 или тоже приложено в обратном направлении, то через переход К – Б протекает очень малый ток, обусловленный неосновными носителями заряда.

I_к = I_к0 @0

Если напряжение на переход Б – Э подключено в прямом направлении (+ к Б, - к Э),то в цепи Б – Э появляется ток, т.е электроны из эмиттера переходят в базу. Эти электроны могут рекомбинировать с дырками базы. Однако конструкция биполярного транзистора такова, что область базы очень тонкая с малой концентрацией носителей заряда. Поэтому лишь небольшая часть носителей заряда пришедших из эмиттера рекомбинируют с противоположными носителями заряда базы, и эта часть составляет ток базы I_б.

Большая часть носителей заряда, прошедших из эмиттера в базу увлекается электрическим полем К – Б (это поле для неосновных носителей заряда является прямым) и составляет ток коллектора.

I_к = aI_э + I_к0 (1.1)

где a - коэффициент передачи тока.

= const

Для современных транзисторов a = 0.95…0.99

При данной схеме включения транзистора входным током является ток эмиттера I_э, а выходным – ток коллектора I_к.

I_э = I_вх; I_к = I_вых.

Из (1) видно, что в данном случае не обеспечивается усиление по току.

K_I<1 (K_I@1) K_I = dI_вых/dI_вх = a

При схеме включения с общей базой Б обеспечивается усиление входного сигнала по напряжению и по мощности.

Схема включения с общим эмиттером (рис. 1.14) – наиболее широко распространенная.

Рисунок 1.14 – Схема включения транзистора n – p – n типа с общим эмиттером

При такой схеме входным напряжением является U_бэ.

U_бэ = U_вх

I_б = I_вх; I_к = I_вых

I_б = I_э – I_к (1.2)

Подставив (1.1) в (1.2): I_б = (1-a) I_э – I_к0 (1.3)

Отсюда I_б << I_э

Из выражений (1.1)…(1.3) получим связь между I_э и I_к. Для упрощения рассуждений пренебрегаем I_к0 (I_к0 = 0). Тогда из (1.1) получим:

I_э = I_к/a (1.4)

Подставив (1.4) в (1.3): I_б = (1-a) I_к/a.

Отсюда I_к = a I_б / 1-a (1.5)

a/1-a = b;

где b - коэффициент усиления по току, b = 20…1000 (чаще до 100).

I_к = b I_б

В справочной литературе обычно приводится параметр h₂₁=DI_К/DI_Б (h₂₁@b)

При включении транзистора по схеме с общим эмиттером обеспечивается усиление входного сигнала по току, напряжению и мощности.

Зависимость I_к = f (U_эк) при различных значениях I_б называется семейством выходных характеристик транзистора (рис.1.15).

Рисунок 1.15 – Семейство выходных характеристик транзистора

Полевые транзисторы – активные полупроводниковые элементы, в основе работы которых используются носители заряда только одного типа.

Полевой транзистор состоит из пластины однородного полупроводника (обычно Si) с определенным типом проводимости. Эту пластину называют каналом транзистора, он имеет два вывода во внешнюю цепь: С - сток и И - исток На гранях пластины созданы области, представляющие собой затвор - З. Проводимость канала определяется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и каналом.

Полевые транзисторы делятся на два основных типа: с управляющим p – n переходом; с изолированным затвором.

В транзисторах с управляющим p – n переходом (рис. 1.16) на боковых гранях канала создаются области с проводимостью, противоположной проводимости канала. Эти области соединяются вместе и образуют затвор.

Для транзистора с n – каналом U_си прикладывается «+» к стоку, «-» к истоку. Для транзистора с р – каналом наоборот. Управляющее (входное) напряжение между затвором и истоком всегда прикладывается в обратном направлении, т.е переход «затвор – канал» всегда закрыт, а напряжение, приложенное к затвору создает в пограничной области «затвор – канал» электрическое поле, которое оттесняет носители заряда канала из пограничной области.

а) б)

а – структура транзистора; б – схемное обозначение транзистора.

Рисунок 1.16 – Полевой транзистор с управляющим p – n переходом

Чем больше входное напряжение, приложенное между затвором и каналом, тем шире становится пограничная область, обедненная носителями заряда, а значит тем уже проводящая часть канала. Т.е с увеличением U_зи проводимость канала падает и при определенном значении канал закрывается. Стоковые выходные характеристики транзистора приведены на рис. 1.17.

U^’’’_зи>U^’’_зи>U^’_зи

Рисунок 1.17 – Стоковые выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p – n переходом

В полевых транзисторах с изолированным затвором (рис. 1.18) затвор изолирован от канала. На поверхности канала создается тонкий слой диэлектрика. На этот слой наносится тонкая пленка, представляющая собой затвор. Канал с определенным типом проводимости формируется на подложке с противоположным типом проводимости.

а) б)

а – структура полевого транзистора; б – схемное обозначение

Рисунок 1.18 – Полевой транзистор с изолированным затвором

При подаче на затвор напряжений различной полярности относительно канала, в канал будут либо втягиваться дополнительные носители заряда из подложки (режим обогащения), либо носители заряда будут втягиваться из канала (режим обеднения).

Выходные характеристики полевого транзистора с изолированным затвором приведены на рис. 1.19.

Рисунок 1.19 – Выходные характеристики полевого транзистора с изолированным затвором

Дата добавления: 2014-01-13